Anemometer - Direkte Geschwindigkeitsmessung

Question 1

Beschreiben Sie die Funktionsweise eines Schalenkreuz-Anemometers!

Answer 1

• Vertikalläufer mit 4 “Schalen”
• Durch unterschiedliche Widerstandsbeiwerte entstehen linksdrehende und rechtsdrehende Momente
• -> Gleichsetzen und nach Umfangsgeschwindigkeit umformen
• -> Umfangsgeschwindigkeit entspricht ca. 1/4 der Windgeschwindigkeit

Anzahl der Umdrehungen werden elektronisch aufgezeichnet und ausgewertet.

Question 2

Beschreiben Sie die Funktionsweise eines Hitzdraht-Anemometers!

Answer 2

• Ein elektrischer beheizter Draht mit temperaturabhängigen Widerstand wird von Strömung angeströmt und gekühlt
• -> Änderung des Widerstandes (Strom/Spannung) wird in Wheatstoneschen Brückenschaltung gemessen
• -> Bestimmung des Hitzdrahtwiderstandes als Funktion der Anströmgeschwindigkeit

Question 3

Beschreiben Sie die Unterscheidung beim Wärmeübergang an beheizten Körpern zwischen Freier und Erzwungener Konvektion!

Answer 3

Freie Konvektion:

• Körper erwärmt das umgebende Medium
• Dichteabnahme
• Abtransport von Energie

Erzwungene Konvektion:

• Körper wird angeblasen
• erwärmtes Medium wird schnell abtransportiert
• Turbulenz unterstützt Wärmetransport
• Bei ruhenden Medium findet nur freie Konvektion statt
• Beim Anblasen findet beides statt, mit wachsender Geschwindigkeit wird erzwungene Konvektion immer stärker

Question 4

Beschreiben Sie die “Auswertung” eines Hitzdraht-Anemometers!

Answer 4

• Annahme: Es gilt lineares Temperatur-Widerstandsgesetz
  R(T)=R0 + (1+ b(T-T0)
• Im Gleichgewicht gilt (durch Konvektion abgeführte) Wärmeleistung = Zugeführte elektrische Leistung
  Wel (=Rh*I²)=Q
• In dimensionsloser Form lässt sich Wärmeübergangskoeffizient α als Nußelt-Zahl als Funktion der Reynoldszahl darstellen
  Nu=(α*l)/Wärmeleitfähigkeit
• Einsetzen der Nußelt-Zahl in Wärmeleistung Q
• Einführen des dimensionslosen Stroms i und des dimensionslosen Widerstandes r und des Kingschen Gesetztes führt auf Verknüpfung von Strom, Widerstand und Geschwindigkeit (Re) in Form eines komplizierten nichtlinearen Zusammenhangs

i² = (r-1)/r * [a+b*√Re]

Question 5

Beschreiben Sie die zwei verwendeten Verfahren bei der Hitzdrahtanemometrie!

Answer 5

Brückenbetrieb im Kompensationsverfahren (Konstanttemperaturverfahren):

• Erhöhung der Speisespannung bis Brücke abgestimmt ist
• Sondentemperatur T und damit RH=R soll konstant gehalten werden
• Bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit wird Brückenspannung ungleich 0 –> sofortige Nachregelung und damit Widerstandsänderung

Brückenbetrieb im Ausschlagverfahren (Konstantspannungsverfahren):

• Erhöhung der Speisespannung bis Brücke abgestimmt ist
• die am Hitzdraht anliegende Spannung ist konstant
• Bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit wird durch Ausschlag Brückenspannung gemessen
• -> Erhöhung von w bringt ab gewissem Punkt keine zusätzliche Kühlung mehr
• -> Kompensationsverfahren ist besser

Question 6

Beschreiben Sie die Geschwindigkeitsmessung mit Ultraschall!

Answer 6

• Messung des Laufzeitunterschiedes von Schallwellen in strömenden Medien in Richtung bzw. Gegenrichtung der Strömungsgeschwindigkeit

Vorteile:

• keine beweglichen Teile
• hohe Messgenauigkeit

Nachteile:

• hoher Preis
• Abhängig von Stoffeigenschaften